TWI575833B - Reliability improvement of electromagnetic pulse protection circuit - Google Patents

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Description

電磁脈衝防護電路之可靠度提升裝置
本發明係有關一種具有高可靠度並可抑制電磁脈衝(E MP)所引起的快速以及慢速過電壓突波之串級電磁脈衝防護電路之裝置者。
電磁脈衝武器可以分為核彈(NEMP)。高爆彈頭的電磁脈衝彈(E-BOMB)及將來有可能發展的小型可攜式電磁武器(P EMP)。其中，核子脈衝彈***時的威力可影響到數百公里的範圍，但也因核彈造成的損害範圍擴大，易引起國際社會的注意，想信未來戰爭直接使用核彈的機會不大，此外'它也會讓自己的通訊系繞與監控系統受到損壞。可攜帶電磁脈衝彈頭(E-BOMB)等長程飛彈的影響範圍則在數十公里以內，屬中型的影響範圍，可具有想當之優勢。至於由人或小型載具可攜帶的(PEMP)小型炸彈，它***的影響範圍在1公里以內，所以說無論是中型(E-BOMB)或是小型(PEMP)，電磁脈衝武器是將來作戰必然的發展方向。
電磁脈衝武器***時會產生極高的電場脈，它的特徵是上升的時間非常快，大約在10毫微秒(n sec)內就可以上升到最高值，而且他的場強比閃電(LEMP)的廠強更強，約在50~100千伏/公尺(KV/m)之間，當他感應到天線或較長的導線時，可以造成瞬間數千安培的大電流。 由於它的高電壓、大電流及上升的瞬間速度非常快，日前一般所用的避雷器並不足以達到防護的目的。
當一個脈衝進到資通設備以後，如果沒有保護電路，這個脈衝可以高到10千伏或150千伏，其後的電子元件，尤其是現代通訊系統或是武器控制系統大幅依賴之積體電路元件，是無法承受的，很容易受到損壞。目前一般通訊或是電子裝置的前面都具有所謂的避雷設施，但這只是一種慢速防護元件(LEMP防護元件)，這些設施通常是由單個火花間隙開關GDT-EMP電磁脈衝氣體放電管或由單個氧化鋅元件所組成。這些LEMP防護元件有一些特性，就是他的動作慢，以至於啟動時間慢導致它箝制電壓或是所謂之殘餘電壓過高。也就是說以現有的LEMP防護元件，將入侵之攻擊突波加以箝制，其抑制脈衝的效果是由啟動的時間快慢所決定，如火花間隙開關及氧化鋅元件等等，因為操作反應時間較慢，往往在突波電壓已經很高的時候才開始壓抑，因此這種元件對於快速上升的脈波並不具防護能力。
雖然一般積體電路後常有一個快速靜電防止裝置(E SD防護元件，通常有TVS過電壓，DIAC，齊納ZENER元件或是低電容MOV等)，快速反應防護元件的反應動作非常快，耐壓可以到8千伏，卻不是一個高耐流的元件；尤其閃電或是人工製作的電磁脈衝炸彈所產 生的脈波較寬，長時間之過電壓則會產生電流效應，並產生高熱，先將靜電防護裝置(快速反應防護元件)燒毀，進而燒毀半導體的內部構造，因此快速反應防護元件只能承受靜電放電，無法承受大能量之各式EMP的攻擊。
因此本案發明人曾於民國91年9月24日申請中藥民國專利公告第588888號一案，其揭示一種解決方法，就是先快速啟動後級ESD防護元件，並於串聯阻抗上建立電位，反順序再次啟動前級大功率LEMP防護元件，以利洩放後來之電荷，完成整體之保護；並且揭示出對輸入信號之***損進行補償之結構等。
因此，近年來我方業界所使用之快速反應突波抑制電路八成以上均採用該結構，但是經過使用經年，發現對於電場強度高於10KV時間長於500奈秒之入侵EMP而言，有少數保護器獎產生失去功能之可靠度問題，尚待解決，或是說還有改善空間。
基於上述缺失雖然是極少數案例之發生，但是兵者國之大事，不可不防也，因此本發明的主要目的在於先找出失效之原因，再針對元件之特性提供一種新穎的串級電磁脈衝防護電路設計法則，除了可提高妥適率外，即便部分元件失效，仍可保持系統正常工作，直到終戰時刻，將其更新，以免影響作戰任務之遂行。
根據本發明所揭露之串級電磁脈衝防護電路設計，是將保護元件單獨地以大能量之雷擊EMP加以注入，直到非線性元件失效為止，再用曲跡掃描儀(CURVE TRACER)量測後判定個別元件失效之表現特性；最後依照非線性元件特性表現之不同，分別加以補償或是加強者。
本人之前所創作發明所揭露之串級電磁脈衝防護電路，已經揭示由一級以上之抗阻元件(RLC元件)，EMP保護電路元件(功率非線性元件)與ESD保護電路元件(快速反應非線性元件)所組合而成之保護電路。前一段文中所謂之非線性元件乃是泛指LEMP非線性元件或是怏速反應ESD非線性元件而言：經過多次實驗得知；一般而言，在大能量之雷擊LEMP加以注入情形之下，最先損壞地乃是快速反應非線性元件(ESD元件)，其次才是功率非線性元件(EMP元件)，至於抗阻元件(RLC元件)遭受電磁脈衝卻是較少損害。
為使對本發明中專利範圍能有進一步的了解，茲舉出數個具體實施例詳細說明如下：
本發明是將保護元件單獨地以大能量之雷擊EMP加以注入，直到非線性元件失效為止，再用曲跡掃描儀(CURVE TRACER)量測後判定個別元件失效之表現特性；最後依照非線性元件特性表現之不 同，分別加以補償或是加強元件可靠度，使其在接戰過程中，即便部份元件失效，仍能保持系統正常工作，直到終戰時刻，將其更新，以免影響作戰任務之遂行。
習知之電磁脈衝防護電路實施例；清參閱第1圖，將快速反應保護ESD元件13和雷擊EMP保護元件11，經過阻抗性RLC元件12組合，也可在快速反應保護元件13的下方串聯一顆***損頻率補償元件14；快速反應保護元件可以由半導體(TVS過電壓、ZENER齊納或DIAC雙向齊納)元件所組成，因此本身就是一個電容性元件，可以構成一個低通濾波器，當大電壓數千伏特突波來襲時又兼有非線性之特性(可以瞬間洩放突波)、、、等
首先就TVS過電壓元件之經可靠度實驗結果而言，也就是經歐盟NEMP規範VG96 903的雙指數波形以10KV注入之，將造成其失效；其特性發現為短路狀態；如果發生在作戰時刻，雖然在第一次電子武器攻擊時，其後之通訊、控制或是電力系統未受損壞，但是因保護器自身短路，將無法繼續遂行作戰任務。
本發明之第一個實施例請參閱第2圖，此時應在TVS過電壓快速反應保護元件23的串聯路徑上加上電流限制的元件25組合，以防止過電流之發生；更佳者須計算限流元件之功率，使其在TVS過電壓快速反應保護元件23燒毀短路之時，也將導致電流限制的元件 25燒毀，使整個串聯路徑開路。雖然在第一次電子武器攻擊後，其TVS過電壓快速反應保護元件23燒毀短路，電流限制元件25燒毀開路，使整個串聯路開路，但是仍有前級EMP保護元件，將可繼續遂行作戰任務，直到終戰時刻，將其更新，以免影響作戰任務之遂行。此電流限制元件25經過測試發現；較佳者為五歐姆五瓦以下之電阻，或是20A以下之高壓保險絲。如同習知技藝，均可在快速反應元件的下方串聯***損類率補償元件(圖2、3、4均未示)。
本發明之第二個實施例請參閱第3圖，就ZENER齊納元件而言，經VG96903的雙指數波形以10KV注入之後，將造成其開路失效，如果發生在作戰時刻，將可繼續遂行作戰任務，但是美中不足是其殘餘電壓會上升；尤其由內部或是後方反向注入之突波，往往造成ZENER齊納元件直接面對突坡而燒毀。此時應在ZENER齊納快速反應保護元件33的後方訊號傳遞路徑上加上電流限制的元件36，以防止反向過電流之發生；更加可在並聯另一ZENER齊納保護元件37及另一電流限制的元件38，可提高防止元件直接面對突波之可靠度問題；其中34元件可為另一限流元件。
本發明之第三個實施例請參閱第4圖，其後方有阻抗元件42、快速反應元件43、限流元件45如同前面之實施例。就電路前方之 GDT-EMP電磁脈衝氣體放電管元件而言，經VG96903的雙指數波形以10KV注入之後，也將造成其開路失效，如果發生在作戰時刻，將可繼續遂行作戰任務，但是美中不足也是其主要保護能力將會失去，此時可靠度會下降無法應付第二次攻擊。
此時，可在GDT-EMP電磁脈衝氣體放電管保護元件41並聯另一顆以上之GDT-EMP電磁脈衝氣體放電管保護元件48、49、、等，以增加其可靠度；以面對二次以上之攻擊，更佳著保護元件41、48、49、、等之保護啟動電壓不全相同(梯次排列)，可防止元件一次同時面對突波而全數燒毀造成可靠度低下之問題；其中43乃是TVS過電壓快速反應保護元件，並於串聯路徑上加上電流限制的元件45。
雖然本發明以前述之實施力揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
11，21，31，41，48，49‧‧‧GDT-EMP電磁脈衝氣體放電管保護元件
12，22，32，36，38，42‧‧‧RLC抗阻性元件
13‧‧‧快速反應ESD保護元件
23，43‧‧‧過電壓TVS保護元件
25，34，36，38，45‧‧‧限流元件
33，37‧‧‧ZENER-ESD齊納保護元件
14‧‧‧***損補償元件
圖式說明：
第1圖係本發明人揭示之習知電磁脈衝防護電路圖
第2圖係本發明第一實施例之電磁脈衝防護電路圖
第3圖係本發明第二實施例之電磁脈衝防護電路圖
第4圖係本發明第三實施例之電磁脈衝防護電路圖
21‧‧‧GDT-EMP電磁脈衝氣體放電管突波保護非線性元件
22‧‧‧RLC阻抗性元件
23‧‧‧TVS-ESD過電壓或抗靜電突波保護非線性元件
25‧‧‧電流限制元件

Claims (3)

  1. 一種串級電磁脈衝防護電路，其特徵在於：所揭示之電磁脈衝保護電路中之非線性元件(23)至少對地串聯有一電流限制元件(25)、有別於傳統之電磁脈衝保護電路中之非線性元件(21)直接接地，以防止非線性元件失效短路時，造成系統無法工作現象發生者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種串級電磁脈衝防護電路，其中之電流限制元件乃是具有過電流開路之電阻性保護元件，或是具有過電流開路之保險絲功能元件，以防止過電流短路失效之發生者。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一種串級電磁脈衝防護電路，其中之非線性元件乃是電磁脈衝氣體放電管保護元件；此外該電磁脈衝氣體放電管保護元件並聯另一個以上之電磁脈衝氣體放電管保護元件，其保護啟動電壓不全相同，可防止相同元件一次同時面對突波而全數燒毀，造成可靠度低下者。
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